SYNTHESE D ARCHITECTURES D ENSEMBLES DYNAMIQUES D HELICOPTERES.

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1 SYNTHESE D ARCHITECTURES D ENSEMBLES DYNAMIQUES D HELICOPTERES. 1 LE CADRE DES TRAVAUX Les travaux s inscrivent dans le cadre de l amélioration des performances des ensembles dynamiques d Hélicoptères. Ces systèmes complexes sont fortement optimisés au niveau de leur rapport masse puissance. Les ensembles dynamiques sont composés de tous les éléments assurant les fonctions de propulsion de l aéronef, génération de puissance, création des efforts sustentateurs et de propulsion auxquelles s ajoutent les fonctions de commande associées. Exemple de composants d ensembles dynamiques d Hélicoptère Les ensembles dynamiques utilisent des technologies variées : - Turbines à gaz - Réducteurs à engrenage - Génération Hydraulique - Moyeux Rotor et pales - Système de commande et actionneurs hydrauliques SYNTHESE D ARCHITECTURES D ENSEMBLES DYNAMIQUES D HELICOPTERES 1 / 4

2 Les hélicoptères peuvent être considérés comme des produits matures quand on les compare à un produit tel que le Smartphone par exemple. Pourtant quand on observe les ensembles dynamiques au niveau mondial entre les différents hélicoptéristes (Eurocopter, Sikorsky, Bell, Agusta, ), on constate une très grande variété d architectures et les logiques ayant guidées ces configurations technologiques peuvent rester obscures même pour les spécialistes. Toutefois les contraintes techniques et les fonctions à assurer restent similaires quel que soit le constructeur. L expérience des ingénieurs et leurs sensibilités techniques jouent un rôle clé dans la genèse de ces configurations technologiques. L idée directrice de ces travaux est d établir une approche plus systématique de la synthèse des architectures afin d ouvrir le champ des configurations possibles tout en assurant une traçabilité de la logique ayant guidées les choix de conception. 2 OBJECTIFS DES TRAVAUX Ainsi, au cœur de cette problématique, deux points clefs se dégagent : - Comment gérer et tracer la genèse des architectures candidates, sachant que la configuration des composants est définie par l homme, sans approche systématique dans la recherche de solution. Il s agit en particulier de gérer la liste des contraintes en lien avec les architectures candidates (masse, centre de gravité, largeur totale en lien avec la trainée de la cellule, etc.). - Comment développer des modèles pour l analyse de la performance des architectures ainsi définies. Il s agit ici de définir des outils d analyse paramétrique pour analyser les performances préliminaires à partir de modèles multi-physiques (masse à vide, consommation, temps de passé au sol, etc.). Le problème est donc typiquement de type «Système engineering» nécessitant le déploiement d une méthodologie s appuyant sur un lien entre modèles fonctionnels, modèles géométriques, et simulation multi-physiques. SYNTHESE D ARCHITECTURES D ENSEMBLES DYNAMIQUES D HELICOPTERES 2 / 4

3 3 ETAT DE L ART Les concepteurs ont pour le moment à leur disposition des outils de CAO paramétrique avec possibilité d analyse des couplages par modélisation éléments finis (éléments équivalents, roulements et dentures en paramétrique) : il s agit à partir de ce contexte de définir quels sont les critères et les outils de validation correspondants pertinent pour l analyse des architectures. De plus, une partie des connaissances liées à l expertise des concepteurs est capitalisé sous forme par exemple de squelettes paramétrés. Pour permettre la capitalisation et la traçabilité des connaissances, un PLM a été mis en place. Cela a également ouvert des perspectives de connexion à une base de données relatives aux caractéristiques physiques des ensembles dynamiques de la flotte, systématiquement mise à jour, sous forme d un fichier excel. Cette base de données sur les ensembles dynamiques va permettre de dégager des règles par Retour d Expérience. Au regard de la démarche dans son ensemble, la modélisation et l analyse système restent à mettre en place et les règles de haut niveau restent à écrire. L idée à terme est de coupler cette modélisation à une ingénierie des exigences tout au long du cycle de développement et de validation (conforme au cycle en V classique). L approche doit également prendre en compte des aspects multi-échelles, car il est indispensable de pouvoir simuler les performances de chacun des composants tout en se référant en permanence aux contraintes liées aux ensembles dynamiques dans leur ensemble. Il y a donc un modèle fonctionnel d objet technique à construire en lien avec les exigences de conception. Ainsi, en appui sur les approches scientifiques récentes, il est indispensable de construire une méthodologie d analyse fonctionnelle, pour l aide à la construction du modèle fonctionnel. L objet d étude sera «les ensembles dynamiques» (en prenant en compte les fonctions suivantes : propulsion et contrôle de l hélicoptère, ceci intégrant la production de puissance, la transmission de puissance, la génération d efforts aérodynamiques et les commandes de vol. Sur le plan scientifique, de nombreuses approches d aide à la conception ont été répertoriées dans la communauté scientifique internationale, mais le constat principal est que la plupart d entre elles ne sont pas appliquées en entreprise [1]. En ce qui concerne le sujet proposé dans cette thèse, les principales approches mises en place par les recherches récentes s appuient principalement sur l extension du concept de fonction et son lien conceptuel avec le concept de spécifications [2]. SYNTHESE D ARCHITECTURES D ENSEMBLES DYNAMIQUES D HELICOPTERES 3 / 4

4 Ce sont principalement celles étendant l Axiomatic Design vers l amont au-delà des paramètres fonctionnels [3], et celles qui généralisent les travaux basés sur le concept FBS de Gero vers les spécifications. En particulier l approche RFBS apporte une réponse partielle aux besoins d intégration des concepts et modèles manipulables sur l ensemble du processus de conception [4]. Ces modèles permettent en particulier de modéliser des architectures paramétrées. Ces premiers éléments bibliographiques visent à donner un cadre général au processus de génération et de gestion d alternatives de conception. L intérêt de ces approches [5] [6] est de pouvoir les étendre suivant des aspects multi-échelles et en intégrant les différents points de vue utiles à la définition et à l évaluation de performance des systèmes mécaniques, comme ceux qui sont concernés dans cette thèse. Mais ce seul aspect d intégration ne suffit pas. Le point clef de la thèse réside, en s appuyant sur le concept RFBS [7] [8], dans la proposition d une méthodologie de synthèse en conception permettant une véritable ingénierie des exigences afin de gérer, évaluer et discriminer les différentes alternatives de solutions tout au long du processus de conception sur la base des critères de dimensionnement et de performance, tant au niveau local qu au niveau système. Des approches de modélisation, d analyse et d optimisation systémiques multi-échelles et multi-physiques serviront également de source d inspiration pour ce travail de thèse. 4 TRAVAUX PROPOSES Le doctorant aura donc à réaliser les activités suivantes : - Par un travail bibliographique approfondi, analyser les méthodes existantes de synthèse de système complexe et de traçabilité des exigences fonctionnelles. - Définir des modèles et des règles à partir du retour d expérience et des connaissances hélicoptère disponibles. - Proposer une démarche innovante de modélisation et d analyse système permettant de coupler une ingénierie des exigences et outils d analyse multi-échelles - Assurer l implantation des méthodes développées dans l environnement CAD et PDM d Eurocopter. - Réaliser les cas tests permettant de montrer la robustesse de l approche. 5 BIBLIOGRAPHIE [1] T. Tomiyama, P. Gu, Y. Jin, D. Lutters, Ch. Kind, F. Kimura (2009) Design methodologies: Industrial and educational applications, CIRP Annals Manufacturing Technology, Vol. 58/2/2009, pp [2] F. Christophe, R. Sell, A. Bernard, E. Coatanéa (2009), OPAS: Ontology Processing for Assisting Synthesis of conceptual design solutions, DETC , Proceedings of the ASME 2009 International Design Engineering SYNTHESE D ARCHITECTURES D ENSEMBLES DYNAMIQUES D HELICOPTERES 4 / 4

5 Technical Conferences & Computers and Information in Engineering Conference IDETC/CIE 2009, 30 August-2 Septembre 2009, San Diego, USA, 11 p. [3] B. Gumus, A. Ertas (2004) Requirement management and axiomatic design, Journal of Integrated Design & Process Science, Volume 8 Issue 4, December 2004, pp [4] F. Christophe, A. Bernard, E. Coatanéa (2010) RFBS: A model for knowledge representation of Conceptual Design, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 59/1/2010, pp [5] H.A. ElMaraghy, S. Chen (1990) A general model for mechanical design, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 39/1/1990, pp [6] T. Phoomboplab, D. Ceglarek (2007) Design Synthesis Framework for Dimensional Management in Multistage Assembly System, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 56/1/2007, pp [7] F. Christophe (2012) Semantics and knowledge engineering for requirements and synthesis in conceptual design: towards the automation of requirements clarification and the synthesis of conceptual design solutions, Thèse de l Ecole Centrale de Nantes et de l Université Aalto d Helsinki, soutenue le 27 juillet 2012 à Helsinki [8] F. Christophe, M. Ba Khouya, E. Coatanéa, N. Thanh An, Y. Zeng and A. Bernard (2013) A Methodology supporting the Syntactic, Lexical and Semantic Clarification of Requirements in Systems Engineering. International Journal of Product development, Inderscience publisher, 2013 (accepted on 6 th February 2013) Emmanuel MERMOZ Docteur en mécanique Chef du service Architecture Ensembles Dynamiques Eurocopter Emmanuel.Mermoz@eurocopter.com Alain BERNARD Directeur de thèse, Professeur des Universités Laboratoire IRCCyN UMR CNRS 6597 Ecole Centrale de Nantes alain.bernard@irccyn.ec-nantes.fr SYNTHESE D ARCHITECTURES D ENSEMBLES DYNAMIQUES D HELICOPTERES 5 / 4